1. Zwischenkolloquium des BMBF Projektes PU2000 IMAUF
Einfluss des CH4-Anteils
im Sputtergas auf die mechanischen
Eigenschaften von V-C-Al-N-Schichten hergestellt
durch Sputtern von einem segmentierten Target
C. Ziebert, U. Albers, S. Ulrich
Institut für
Materialforschung I, Forschungszentrum Karlsruhe
Nach der
erfolgreichen Herstellung von metastabilen, kfz (V0,3,Al0,2)(C0,3,N0,2)-Schichten
wurde mit Hilfe eines kombinatorischen materialwissenschaftlichen Ansatzes das
Parameterfeld erweitert. Dazu wurden je ein VC- und ein AlN-Taget hergestellt,
in der Mitte durchtrennt und von beiden Materialien jeweils eine Hälfte auf
einen Cu-Halter als segmentiertes Target aufgeklebt. Beim
Magnetronsputtern von einem segmentierten Target werden in jedem Experiment 6
Substrate in einer Linie gegenüber dem Target in Position gebracht.
Infolgedessen können in einem einzelnen Experiment 6 Schichten mit
unterschiedlichem chemischen Aufbau von VC-reich auf Position 1 bis AlN-reich
auf Position 6 und/oder Mikrostruktur hergestellt werden. Die zusätzliche
Möglichkeit, das reine Ar durch ein Mischung aus Ar und einem variablen Methan
(CH4)-Anteil zu ersetzen, gestattet die detaillierte Untersuchung
vieler komplementärer Phänomene der Phasenausbildung und des Schichtwachstums.
Bei einer Targetleistung von 250 W, einem Gasdruck von 0,6 Pa, einer
Substrattemperatur von 150 °C und ohne Substratvorspannung wurden in einer
Leybold Z550 Sputteranlage 5 Versuchserien mit einer Beschichtungsdauer von 4 h
gefahren: Serie 1 nicht-reaktiv mit reinem Ar und die Serien 2-5 reaktiv mit
steigendem CH4-Anteil von 1 %, 2 %, 4 % und 8 %. Die Probenposition
(Pos.1-Pos.6) und der CH4-Anteil sind daher die beiden mit den
Messwerten der Untersuchungen zu korrelierenden Variationsparameter.
Mit Hilfe der Nanoindentierung wurden erste Untersuchungen
zum Einfluss der Probenposition und des CH4-Anteils auf die
mechanischen Eigenschaften der Schichten durchgeführt. Härte und reduzierter E-Modul zeigen beide für alle CH4-Anteile
einen ähnlichen Verlauf mit einem Maximum auf Pos.4 und den jeweils niedrigsten
Werten auf Pos.6. Betrachtet man die
einzelnen Positionen, so werden die insgesamt höchsten Werte für die
nichtreaktiv gesputterten Schichten der Serie 1 erreicht. Durch die wachsende
Zugabe von CH4 verschieben sich die Härte- und die E-Modulkurve
zu immer niedrigeren Werten, d.h. die Werte nehmen
auf jeder Position ab. Das Maximum aller Härtewerte bzw. der Werte des
reduzierten E-Moduls wird in Serie 1 auf Pos.4 mit 35 GPa bzw. 610 GPa und das
Minimum in Serie 5 auf Pos.6 mit 16 GPa bzw. 120 GPa erreicht. Diese
drastischen Unterschiede verdeutlichen, dass es durch den kombinatorischen Ansatz
gelungen ist, die mechanischen Eigenschaften der V-C-Al-N-Schichten auf einem
sehr großen Wertebereich zu variieren.